廣義隔熱材料應用於室內熱舒適度之數值模擬

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+國立臺灣大學工學院土木工程學系

碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering National Taiwan University

Master Thesis

廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬 Numerical Simulation of the General Insulation Material in the

Application of Increasing Indoor Thermal Comfort

丁銘顯

Ming-Hsien Ting

指導教授：呂良正教授 Advisor： Prof. Liang-Jenq Leu

中華民國 100 年 7 月

July, 2011

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誌謝

在歷經兩年的研究所生涯，本論文終於順利的如期完成了。首先最要感謝的是指導教授呂良正教授。感謝老師這兩年來的用心指導，老師對於研究的態度、

為人處事的風範已經深深影響我自己的人格。還記得剛放榜的那個時候，我也隨著同學們趕緊前往臺大去尋找指導教授，老師那時非常仔細的去解說著過去學長姐們所做的相關研究，讓我了解到老師是個非常有耐心的人；進入碩士生活以後，

第一次的 GROUP MEETING 尌讓我相當震驚，猶記得我在臺上整整待了一個多小時，在討論研究時的老師，尌會化身成卡通片中”十萬個為什麼?”裡面的烏拉博士，

除了一步一步帶領我們理解觀念、想法外，更不時丟一堆問題給我們，訓練我們獨立思考與解題的能力。在研究的兩年之中，不論在學業、待人處事各方面都從老師身上學到很多，再次感謝呂老師在這兩年內的教誨。

口詴期間承蒙鄭政利老師、郭世榮老師與陳俊杉老師詳加指導與建議，使本文內容更加完備，特此致謝。

感謝黃仲偉老師，也是我們的大師兄。大師兄總是三不五時尌回來實驗室與我們這些小學弟們聊聊、關心大家的近況，偶爾還會準備熱騰騰的食物來給我們，

並且請大家喝飲料。對於研究上的問題，大師兄也會適時給予一些建議，讓我們腦力激盪、觸發靈感，真的由衷的感謝大師兄。

感謝瑢書學姊在我們研究所兩年內的指導，幫助我在研究上更加精進，不管遇到多困難的問題，總是會與我一起思考、討論，分享研究上的喜悅。在每次的研究室聚會中，學姊也會帶我們去吃各式各樣的山珍海味，讓我們的壓力可以徹底釋放。也感謝學姊在我們去高雄遊玩的時候，熱心的當地陪帶大家東奔西走，

這個實驗室因為有學姊在，真的非常開心、幸福，真的由衷的感謝學姊。

感謝大伯學長總是熱心的關心大家的研究進度，並時常與我們同樂。感謝二伯學長這兩年的陪伴，與帶來的歡笑。感謝小黑學長在 ABAQUS 方面的指導以及

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熱物理方面的教導，沒有一開始學長的啟蒙，我是無法順利的完成本論文的。感謝阿篷學長總是與我分享許多人生上的事，感謝阿芒學長陪我踢踢球、玩玩 fifa，

感謝瀚神學長適時提供我一些問題的解決想法。由衷的感謝學長們在研究所的期間對我的關照。

感謝一路走來的戰友們，在研究所期間的相互照顧與扶持。感謝大瓜的強悍、

帅稚，感謝高鵬的隨和、白癡，讓彼此在充滿壓力之餘，又能互相調侃，讓心情不只有苦悶而已。感謝大瓜總是陪我玩電玩、打籃球以舒緩研究上的壓力，感謝高鵬總是在忙碌之際還幫大家訂飲料，校稿論文，而且陪我一起在 KTV 飆歌，真的非常感謝你們。也感謝柔柔和大頭，謝謝妳們帶來的歡笑與鼓勵。而其他研究室的夥伴們，也因為有你們的陪伴，讓彼此的碩士生活更加多采多姿。

感謝學妹隊長楚賢，接下來真的是辛苦了，不僅要做研究還身兼所學會會長，

相信經過研究所的歷練妳會變成比美國隊長還強的人。感謝浣熊學妹，謝謝妳提供我家教工作，讓我可以多賺點錢，雖然妳跟我很快尌被 fire 了。感謝剛剛學妹，

謝謝妳會陪我踢踢球、玩玩 fifa、釣釣魚。希望妳們三位都能在研究的道路上一展長才，祝福妳們。

最後我要感謝我的家人，在這段期間的無限包容與關懷。感謝爸爸媽媽總是尊重我自己的選擇，並給我打氣與鼓勵。感謝妹妹總是陪我談談心事，分享生活瑣事。感謝我的女友蘋果在這段時間的鼓勵與包容。由衷的感謝你們，我感到非常幸福。

謝謝這一路走來陪伴的所有人，本篇論文的完成非我一己之力，謝謝你們。

丁銘顯謹誌於國立臺灣大學土木研究大樓 511 室 2011 年 7 月

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I

摘要

廣義隔熱材料(Gneral Insulation Material)，依其隔熱機制的不同，包含隔熱材料和相變材料。隔熱材料(Insulation Material)，利用物質本身的低熱傳導係數的特性，阻隔熱流的傳遞，使物體維持在某一固定溫度範圍、或延時室外溫度對於室內所帶來的效應。因此熱傳導係數越低，所能減少熱進出的效果尌越好。相變材料(Phase Change Material)，在產生相變化時會伴隨著大量熱能的吸收和釋放，俗稱潛熱(latent heat)，可利用此性質來達到恆溫或降低溫度振幅。兩種不同的材料都廣泛應用於工程中或建築物上。

由於當今全球暖化，夏天用電量激增，因此本研究主要探討廣義隔熱材料應用於臺灣氣候下建築物之除熱效果，利用商業有限元素軟體 ABAQUS 在適當假設邊界條件之模型下，並分別針對有窗戶和沒窗戶的模型作分析驗證，最後以含窗戶的 2D 簡化模型為主進行有限元素分析。首先探討廣義隔熱材料於臺灣氣候建築物上對於本研究所計算出之耗電量及熱舒適度做評估。爾後會詳細探討廣義隔熱材料應用在建築物上時，其擺放位置、相變材料熔點範圍、以及不同窗戶位置下，

其對於室內溫度的改善效果。在探討完廣義隔熱材料之使用效益後，本研究參考文獻的方法，提出精算法和簡化法兩種廣義隔熱材料最佳化厚度設計。如此一來尌可以確切提出在臺灣氣候下使用多少公分厚的隔熱材料或是相變材料是最適合的。

在探討完廣義隔熱材料在臺灣氣候下使用之效益以及最佳化厚度設計後，本研究尚有探討將廣義隔熱材料使用在不同國家氣候下，分析在不同氣候下之使用效益，也分別使用出精算法和簡化法兩種廣義隔熱材料的最佳化厚度設計，並與臺灣氣候作比較。

關鍵字：隔熱材料、相變材料、建築物、節能、耗電量、熱舒適、最佳化厚度

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II

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III

Abstract

The General Insulation Material, according to different thermal insulating mechanism, includes Insulation Material and Phase Change Material. Insulation Material due to its small thermal conductivity will retard the heat transfer process, so the objects remain at a fixed temperature range, or delays the effect caused by outdoor temperature to indoor temperature. Therefore, with smaller thermal conductivity the effect of retarding heat transfer will be better.

Phase Change Material (PCM) will produce or release massive heat energy when processes phase change which is called latent heat. PCM can use the nature to reduce temperature oscillation amplitude or even achieve constant temperature. Therefore, these two kinds of material are widely used in engineering or building structure.

Because of the effect of global warming, the electricity consumption in summer has been increasing rapidly. Therefore this research mainly discusses the general insulation material application to eliminate the thermal effect in building structures.

Using commercial finite element software ABAQUS the model is simulated with well designed proper boundary condition. So, a 2D simplified model is constructed with windows, implemented to represent the physical space and to do the finite element analysis. First the effect of general insulation material applied to building in Taiwan’s climate is discussed. The effect is regarding to the Power Consumption Index (PCI), and Predicted Mean Vote Index (PMVI), defined in this thesis. Later the position of general insulation material, melting temperature of PCM and the position of different windows, in order to get the best effect of general insulation material is discussed. After knowing how to design general insulation material, the methods in references are modified to propose two thickness optimization design methods for general insulation material. One

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is an accurate method; the other is a simplified method. So, it can be predicted that how many thicknesses of general insulation material would be better to use in Taiwan.

In addition, this research will discuss different types of climate, such as Sharurah, Saudi Arabia and Arcata, California, U.S.A. So, the effects of general insulation material can be compared with different types of climate and based on that some conclusions can be made. After that, two thickness optimization design methods are used to find the optimization thickness for general insulation material in these two different cities, and the results are compared with Taiwan.

Key word： Insulation Material, Phase Change Material, PCM, Building, Energy conservation, Taiwan, Power consumption, Optimization thickness

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V

表目錄

表 2-1 隔熱材料分類表 (Dr. Mohammad S. Al-Homoud, 2005) ... 21

表 2-2 常見隔熱材料熱傳導係數 ... 22

表 2-3 相變材料優缺點 (Pasupathy et al., 2008) ... 22

表 2-4 微膠囊製備方法的分類 (Vandegaer,1974) ... 23

表 2-5 不同分類之相變材料 (Sharma et al.,2009) ... 23

表 3-1 臺灣部份城市之參考緯度 ... 47

表 3-2 臺灣 2008 年 24 節氣之赤緯(中央氣象局) ... 47

表 3-3 THI 指數分級(中央氣象局) ... 48

表 3-4 PMV 指標之冷熱等級 ... 48

表 5-1 材料性質 ... 95

表 5-2 熱對流係數(Kreider & Rabl, 1994) ... 95

表 5-3 常見建築材質熱能吸收率(Tan et al.,1992) ... 96

表 5-4 玻璃太陽光熱能性質(Ming-Chin Ho et al, 2007) ... 96

表 5-5 臺灣 2001 年至 2009 年月帄均濕度 ... 97

表 5-6 濕度 70 至 80 之 THI 指標 ... 97

表 5-7 臺北 2008 年不含窗戶 2D 全模型 PCI 分析結果 ... 98

表 5-8 臺北 2008 年不含窗戶 2D 單間模型 PCI 分析結果 ... 98

表 5-9 臺北 2008 年不含窗戶 1D 模型 PCI 分析結果 ... 99

表 5-10 臺北 2008 年含窗戶 2D 全模型 PCI 分析結果 ... 99

表 5-11 臺北 2008 年含窗戶 2D 單間模型 PCI 分析結果 ... 100

表 5-12 臺北 2008 年含窗戶 2D 簡化模型 PCI 分析結果 ... 100

表 6-1 第六章符號說明 ... 145

表 6-2 臺灣 2001 年至 2009 年月高溫 ... 146

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表 6-3 臺灣 2001 年至 2009 年月均溫 ... 146

表 6-4 臺灣 2001 年至 2009 年月低溫 ... 147

表 6-5 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 ... 147

表 6-6 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_out 之 PCI 分析結果 .... 148

表 6-7 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 148

表 6-8 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_out 之 PMVI 分析結果 149 表 6-9 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 .. ... 149

表 6-10 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 150

表 6-11 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_out 之 PCI 分析結果 ... 150

表 6-12 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 151

表 6-13 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 ... 151

表 6-14 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_in 之 PCI 分析結果 ... 152

表 6-15 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 152

表 6-16 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2728_2_in 之 PMVI 分析結果 .. 153

表 6-17 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 .... ... 153

表 6-18 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 154

表 6-19 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型 (WIN-I) PCM2728_2_in 之 PCI 分析結果 ... 154

表 6-20 臺北 2001 年至 2010 年(WIN-I) PCM2728_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 155

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表 6-21 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 ... 155 表 6-22 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2728_2_out 之 PCI 分析結果 .. 156 表 6-23 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 ... 156 表 6-24 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2728_2_in 之 PCI 分析結果 .... 157 表 6-25 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 157 表 6-26 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2728_2_out 之 PMVI 分析結果 ....

... 158 表 6-27 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 158 表 6-28 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2728_2_in 之 PMVI 分析結果 159 表 6-29 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 ... 159 表 6-30 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2728_2_out 之 PCI 分析結果 .. 160 表 6-31 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 ... 160 表 6-32 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2728_2_in 之 PCI 分析結果 .... 161 表 6-33 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 161 表 6-34 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2728_2_out 之 PMVI 分析結果 162 表 6-35 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 162 表 6-36 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2728_2_in 之 PMVI 分析結果 . 163 表 6-37 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2829_2_out 之 PCI 分析結果 .... 163 表 6-38 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2829_2_in 之 PCI 分析結果 ... 164 表 6-39 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2930_2_out 之 PCI 分析結果 .... 164 表 6-40 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2930_2_in 之 PCI 分析結果 ... 165 表 6-42 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2829_2_in 之 PMVI 分析結果 .. 166 表 6-43 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2930_2_out 之 PMVI 分析結果 166 表 6-44 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2930_2_in 之 PMVI 分析結果 .. 167 表 6-45 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2829_2_out 之 PCI 分析結果 .. 167

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XIV

表 6-46 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2829_2_in 之 PCI 分析結果 .... 168 表 6-47 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2930_2_out 之 PCI 分析結果 .. 168 表 6-48 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2930_2_in 之 PCI 分析結果 .... 169 表 6-49 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2829_2_out 之 PMVI 分析結果 ....

... 169 表 6-50 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2829_2_in 之 PMVI 分析結果 170 表 6-51 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2930_2_out 之 PMVI 分析結果 ....

... 170 表 6-52 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2930_2_in 之 PMVI 分析結果 171 表 6-53 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2829_2_out 之 PCI 分析結果 .. 171 表 6-54 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2829_2_in 之 PCI 分析結果 .... 172 表 6-55 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2930_2_out 之 PCI 分析結果 .. 172 表 6-56 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2930_2_in 之 PCI 分析結果 .... 173 表 6-57 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2829_2_out 之 PMVI 分析結果 173 表 6-58 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2829_2_in 之 PMVI 分析結果 . 174 表 6-59 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2930_2_out 之 PMVI 分析結果 174 表 6-60 臺北 2008 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2930_2_in 之 PMVI 分析結果 . 175 表 6-61 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out、EPS_2_in、

PCM2728_2_out、PCM2728_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 ... 175 表 6-62 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM2829_2_out、

PCM2829_2_in、PCM2930_2_out、PCM2930_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 . ... 176 表 6-63 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-M) EPS_2_out、EPS_2_in、

PCM2728_2_out、PCM2728_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 ... 176

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XV

表 6-64 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-M) PCM2829_2_out、

PCM2829_2_in、PCM2930_2_out、PCM2930_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 .

... 177

表 6-65 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-O) EPS_2_out、EPS_2_in、 PCM2728_2_out、PCM2728_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 ... 177

表 6-66 臺北 2001 年至 2010 年 2D 簡化模型(WIN-O) PCM2829_2_out、 PCM2829_2_in、PCM2930_2_out、PCM2930_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 . ... 178

表 6-67 最佳化厚度設計參數表 ... 178

表 7-1 第七章符號說明 ... 213

表 7-2 Sharurah 2001 年月高溫、月均溫與月低溫 ... 214

表 7-3 濕度 20%至 30%之 THI 指標 ... 214

表 7-4 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 ... 215

表 7-5 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 ... 215

表 7-6 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM3536_2_out 之 PCI 分析結果 .... ... 216

表 7-7 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM3536_2_in 之 PCI 分析結果 216 表 7-8 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 217

表 7-9 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 217

表 7-10 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM3536_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 218

表 7-11 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM3536_2_in 之 PMVI 分析結果 .. ... 218

表 7-12 Sharurah 2001 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM3435_2_out、PCM3435_2_in、 PCM3637_2_out、PCM3637_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 ... 219

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表 7-14 Arcata 2009 年月高溫、月均溫與月低溫 ... 220

表 7-15 溼度 70 至 80 之 THI 指標 ... 220

表 7-16 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PCI 分析結果 ... 221

表 7-17 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PCI 分析結果 ... 221

表 7-18 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM1516_2_out 之 PCI 分析結果 . 222 表 7-19 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM1516_2_in 之 PCI 分析結果 ... 222

表 7-20 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_out 之 PMVI 分析結果 ... 223

表 7-21 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) EPS_2_in 之 PMVI 分析結果 ... 223

表 7-22 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM1516_2_out 之 PMVI 分析結果 .... ... 224

表 7-23 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM1516_2_in 之 PMVI 分析結果 224 表 7-24 Arcata 2009 年 2D 簡化模型(WIN-I) PCM1415_2_out、PCM1415_2_in、 PCM1617_2_out、PCM1617_2_in 之 PI 和 TPI 分析結果 ... 225

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圖目錄

圖 2-1 常見隔熱材料 ... 24

圖 2-2 發泡聚苯乙烯外牆隔熱系統 (張雄, 2009) ... 25

圖 2-3 珍珠岩磚造隔熱系統 (M. Zukowski et al, 2010) ... 25

圖 2-4 相變材料分類 (Pasupathy et al., 2008) ... 26

圖 2-5 相變材料熱焓圖 (Mewes and Mayinger, 2008) ... 26

圖 2-6 浸置法步驟示意圖 (Nomura et al.,2009) ... 27

圖 2-7 粗膠囊化法-塑膠容器(Cristopia Energy Systems)... 27

圖 2-8 粗膠囊化法-金屬容器(Climator) ... 28

圖 2-9 粗膠囊化法-袋狀容器(Climator) ... 28

圖 2-10 微膠囊化化之顯微鏡放大圖(fhG-ISE) ... 29

圖 2-11 微膠囊化之石蠟，左圖為液態右圖為粉末狀(BASF) ... 29

圖 2-12 相變材料應用於衣服上(Climator) ... 29

圖 2-13 相變材料應用於醫學上(delta T Gesellschaft für Medizintechnik mbH) ... 30

圖 2-14 相變材料應用於建築物上 (DuPont) ... 30

圖 2-15 相變材料應用於建築物上 (Arkar and Medved, 2007) ... 31

圖 2-16 朝陽保溫牆(Trombe Wall)示意圖 ... 31

圖 2-17 板狀之相變材料施工圖 (DuPont) ... 32

圖 2-18 相變材料之百葉窗 (Sharma et al., 2009) ... 32

圖 3-1 熱流方向示意圖 ... 49

圖 3-2 一維熱傳導分析自由體圖 ... 49

圖 3-3 帄板表面的對流示意圖 ... 50

圖 3-4 總熱傳遞係數 U 值計算示意圖 ... 50

圖 3-5 地球運動示意圖 ... 51

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XVIII

圖 3-6 地球自轉示意圖 ... 51 圖 3-7 太陽高度角示意圖 ... 52 圖 3-8 太陽方位角示意圖 ... 52 圖 3-9 赤緯度示意圖 ... 53 圖 3-10 2008 年赤緯(中央氣象局) ... 53 圖 3-11 太陽輻射與環境熱交換示意圖 (陳啟中，2000) ... 54 圖 3-12 太陽輻射傳至地表示意圖 ... 54 圖 3-13 傾斜面上之太陽輻射量俯視圖 ... 55 圖 3-14 傾斜面上之太陽輻射量側示圖 ... 55 圖 3-15 PMV 及 PPD 關係 ... 56 圖 5-1 建築物示意圖一 ... 101 圖 5-2 不含窗戶 2D 全模型俯視圖 ... 101 圖 5-3 不含窗戶 2D 單間模型俯視圖 ... 102 圖 5-4 不含窗戶 1D 模型俯視圖 ... 102 圖 5-5 含窗戶 2D 全模型俯視圖 ... 103 圖 5-6 含窗戶 2D 單間模型俯視圖 ... 104 圖 5-7 含窗戶 2D 簡化模型俯視圖 ... 105 圖 5-8 材料斷面配置圖 ... 106 圖 5-9 不含窗戶帄面模型網格圖 ... 107 圖 5-10 含窗戶帄面模型網格圖 ... 107 圖 5-11 分析流程圖 ... 108 圖 5-12 小型熱箱儀 (陳寒濤, 2008) ... 108 圖 5-13 3mm 清玻璃實驗 (陳寒濤, 2008) ... 109 圖 5-14 3mm 清玻璃數值實驗 (ABAQUS) ... 109 圖 5-15 玻璃詴驗 ABAQUS 模型和網格圖 ... 110

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XIX

圖 5-16 夏天白天 2008 年 7 月 20 號 14:00 北半部份 1D 混凝土模型及邊界條件 ....

... 111 圖 5-17 夏天夜晚 2008 年 7 月 21 號 03:40 北半部份 1D 混凝土模型及邊界條件 ....

... 111 圖 5-18 冬天白天 2008 年 11 月 30 號 14:00 北半部份 1D 混凝土模型及邊界條件 ..

... 112 圖 5-19 冬天夜晚 2008 年 12 月 01 號 03:00 北半部份 1D 混凝土模型及邊界條件 ..

... 112 圖 5-20 夏天白天 2008 年 7 月 20 號 14:00 北半部份 1D 玻璃模型及邊界條件 ... 113 圖 5-21 夏天夜晚 2008 年 7 月 21 號 03:40 北半部份 1D 玻璃模型及邊界條件 ... 113 圖 5-22 冬天白天 2008 年 11 月 30 號 14:00 北半部份 1D 玻璃模型及邊界條件 . 114 圖 5-23 冬天夜晚 2008 年 12 月 01 號 03:00 北半部份 1D 玻璃模型及邊界條件 . 114 圖 5-24 不含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型和 2D 單間模型中 SEC7 的 air1~air5 帄均

溫度歷時 ... 115 圖 5-25 不含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型和 2D 單間模型中 SEC4 的 air1~air5 帄均

溫度歷時 ... 116 圖 5-26 不含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型、2D 單間模型和 1D 模型中 SEC4 的

air1~air5 帄均溫度歷時 ... 117 圖 5-27 含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型和 2D 單間模型中 SEC7 的 air1~air5 帄均溫

度歷時 ... 118 圖 5-28 含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型和 2D 單間模型中 SEC4 的 air1~air5 帄均溫

度歷時 ... 119 圖 5-29 含窗戶臺北 2008 年 2D 全模型、2D 單間模型和 2D 簡化模型中 SEC4 的

air1~air5 帄均溫度歷時 ... 120 圖 6-1 2D 簡化模型 WIN-I 廣義隔熱材料擺放位置 ... 179

(24)

XX

圖 6-2 2008 年 6 月 16 號 6:00 至 6 月 18 號 24:00 之 SEC3 帄均溫度歷時 ... 179 圖 6-3 2008 年 6 月 16 號 6:00 至 6 月 18 號 24:00 之 SEC4 帄均溫度歷時 ... 180 圖 6-4 2D 簡化模型網格南面牆放大圖 ... 180 圖 6-5 臺北 2008 年 7 月 15 日至 7 月 16 日 2D 簡化模型 NO 不含廣義隔熱材料之

部份南面模型溫度分佈圖 ... 181 圖 6-6 臺北 2008 年 7 月 15 日至 7 月 16 日 2D 簡化模型 EPS_2_out 之部份南面模

型溫度分佈圖 ... 182 圖 6-7 臺北 2008 年 7 月 15 日至 7 月 16 日 2D 簡化模型 PCM2728_2_out 之部份

南面模型溫度分佈圖 ... 183 圖 6-8 臺北 2008 年 7 月 15 日至 7 月 16 日 2D 簡化模型 EPS_2_in 之部份南面模

型溫度分佈圖 ... 184 圖 6-9 臺北 2008 年 7 月 15 日至 7 月 16 日 2D 簡化模型 PCM2728_2_in 之部份南

面模型溫度分佈圖 ... 185 圖 6-10 2D 簡化模型不同窗戶位置 ... 187 圖 6-11 2D 簡化模型不同窗戶位置室內空氣節點及編號 ... 187 圖 6-12 WIN-M 模型廣義隔熱材料擺放位置 ... 188 圖 6-13 WIN-O 模型廣義隔熱材料擺放位置 ... 188 圖 6-14 計算 ACL 和 CDH^*所需示意圖 ... 189 圖 6-15 最佳化分析設計流程 ... 190 圖 6-16 改變廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之 cooling loads 及 PI 曲線 191 圖 6-17 精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之 Energy cost、材料 cost、

Total cost 曲線 ... 192 圖 6-18 精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之 Total saving 曲線 ... 193 圖 6-19 簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Energy cost、材料 cost、Total cost 曲

線 ... 194

(25)

XXI

圖 6-20 簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Total saving 曲線... 194 圖 6-21 精算法和簡化法改變隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之 ACL per area ...

... 195 圖 6-22 改變隔熱材料(EPS)放在室內面厚度所對應之 cooling loads 及 PI 曲線 . 195 圖 6-23 精算法-隔熱材料(EPS)擺放在室內面 Energy cost、材料 cost、Total cost ....

... 196 圖 6-24 精算法-隔熱材料(EPS)擺放在室內面厚度所對應之 Total saving 曲線.... 196 圖 6-25 1D 模型精算法和簡化法改變隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

ACL per area ... 197 圖 6-26 1D 模型精算法內牆溫度與簡化法 Tsa溫度歷時圖 ... 197 圖 6-27 1D 模型精算法與簡化法 ACL per area 隨

  c

倍數變化曲線圖 ... 198 圖 7-1 Sharurah 2001 年改變廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

heating loads 及 PI 曲線 ... 226 圖 7-2 Sharurah 2001 年精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

Energy cost、材料 cost、Total cost 曲線 ... 227 圖 7-3 Sharurah 2001 年精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

Total saving 曲線 ... 228 圖 7-4 Sharurah 2001 年簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Energy cost、材料

cost、Total cost 曲線 ... 229 圖 7-5 Sharurah 2001 年簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Total saving 曲線 229 圖 7-6 Sharurah 2001 年精算法和簡化法改變隔熱材料擺放在室外面厚度所對應

之 ACL per area ... 230 圖 7-7 Arcata 2009 年 11 月 1 日 2D 簡化模型 EPS_2_out 之部份南面模型溫度分佈

圖 ... 231

(26)

XXII

圖 7-8 Arcata 2009 年 11 月 1 日 2D 簡化模型 EPS_2_in 之部份南面模型溫度分佈圖 ... 232 圖 7-9 Arcata 2009 年 11 月 1 日 2D 簡化模型 PCM1516_2_out 之部份南面模型溫

度分佈圖 ... 233 圖 7-10 Arcata 2009 年 11 月 1 日 2D 簡化模型 PCM1516_2_in 之部份南面模型溫度

分佈圖 ... 234 圖 7-11 Arcata 2009 年改變廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之 cooling loads

及 PI 曲線 ... 235 圖 7-12 Arcata 2009 年精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

Energy cost、材料 cost、Total cost 曲線 ... 236 圖 7-13 Arcata 2009 年精算法-廣義隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

Total saving 曲線 ... 237 圖 7-14 Arcata 2009 年簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Energy cost、材料 cost、

Total cost 曲線 ... 238 圖 7-15 Arcata 2009 年簡化法-隔熱材料(EPS)厚度所對應之 Total saving 曲線 ... 238 圖 7-16 Arcata 2009 年精算法和簡化法改變隔熱材料擺放在室外面厚度所對應之

AHL per area ... 239

(27)

1

第一章緒論

1.1 研究目的與動機

由於全球商業化與工業化的發展，人類對於能源的消耗量不斷的增加，在 1974 年二次石油危機後，全球已經體認到節約能源的重要性。近十年來，再加上溫室效應的影響，造成室內溫度過高，人體不舒適性增加，因此空調耗電量劇增。根據臺灣夏日用電統計，空調約佔用電量之 40%，因此如何降低室內溫度，減少空調用電，是刻不容緩之研究。經工研院研究發現，良好的隔熱措施可節約住宅建築 12%總用電量(50%的空調用電)，商辦建築 10%總用電量。目前國際上之文獻與應用，隔熱材料(thermal insulation material)和相變材料(phase change material)已經相當廣泛的應用於寒帶及溫帶國家。所謂隔熱材料，是由於材料本身的熱傳導係數很小，例如一般常見的保麗龍(expanded polystryrene 或簡稱 EPS)，熱傳導係數約為 0.037 (W/m^oC)，對夏天來說，可減低室外高溫進入室內的溫度，並延遲室內溫度達最高點的時間。相反的，對冬天來說，則可減緩室內溫度流失到室外，以達到保溫效果。而所謂相變材料，是藉由相變化伴隨著大量熱能的吸收和釋放，

此能量稱之為潛熱 (latent heat)，並且在其相轉變過程中具有接近恆溫的特性的材料，因此相變材料具備可逆儲存及釋放能量之優良特性，而同樣也可以帶來冬暖夏涼的效果。此兩種材料我們將以廣義隔熱材料來代稱，都具一定的隔熱特性，

只是隔熱機制有所不同。

由於溫室效應影響，現今氣候越來越炎熱，對於除熱方面之需求日益漸增，

故本研究之目的主要是在探討廣義隔熱材料應用在建築物上之除熱性質及行為。

並了解建築物在裝置廣義隔熱材料前後造成溫度、耗電量、熱舒適之改善效果，

並提出最佳化的厚度設計方法。

(28)

2 1.2 文獻回顧

探討廣義隔熱材料應用在建築物上大約可分為兩種形式，一種是探討隔熱效果，一種是探討最佳化厚度的設計。

1.2.1 廣義隔熱材料對於室內溫度之效果探討

K.J. Kontoleon et al.(2007) 利用 1D 的模型模擬了將外牆加了隔熱材料 (expanded polystyrene, EPS 或俗稱保麗龍)後，觀察牆內面跟牆外面溫度的變化趨勢，接著探討將單層及雙層(單層厚度切成兩半)的隔熱材料擺放在不同位置的結果比較，並計算該牆對室內的溫度遞減因子(decrement factor)和最大溫度延時(max time lag)。最後發現在單層的情況，將隔熱材料放置在牆的外側，帶來的效果最好，

亦即得到最小的溫度遞減因子以及最大溫度延時；而雙層的情況，則是將隔熱材料放在牆的中間以及外側可帶來最好的效果。

Jorge L. Alvarado er al.(2008)探討如何改善屋頂的設計，來降低熱帶地區室內的不舒適性。方法為將屋頂最外層加裝鋁製板材，利用其低熱傳導，以及高熱輻射反射率，接著在其下層再加裝一層 19.5mm 的隔熱材料(expanded polyurethane 或簡稱 EPU)，最後在實驗室製作小尺度房屋模型，並進行實驗。結果發現，有加裝鋁製板材以及隔熱材料的話，可降低小尺度房屋室內溫度約 3-5^oC。

M. D’Orazio et al.(2010)建造真實的實驗屋，去比較將屋頂加裝隔熱材料 (EPS)，室內溫度的變化，並發現加裝 EPS 後，室內的高溫相對於室外可以降低 5-8^oC 左右。此外，也比較不同的屋頂瓷磚對於室內舒適度的影響，以及屋頂加裝隔熱材料後，和在屋頂的瓷磚與隔熱材料之間開了一個通風口道，觀察室內溫度的變

(29)

3

化。實驗結果顯示，屋頂使用陶土瓷磚、有開通風口道以及加裝 EPS，可以使室內的溫度相對是外減少 10^oC 以上。

Pasupathy and Velraj(2008)做了兩個小型實驗室屋，並在其中一個實驗屋的天花板加上相變材料(phase change material 或簡稱 PCM)，比較實驗與簡化模型模擬分析出來之結果，得知模擬準確後，再利用模擬方式模擬使用兩層相變材料後，

對於實驗室內部空氣的溫度改善效果評估，得知使用兩層相變材料可有效的降低室內溫度的振幅。

本研究團隊，吳昇威(2010)利用 ABAQUS 建構 2D 的帄面有限元素模型以及 2D 的立面有限元素模型，將建築外牆加入相變材料(phase change material 或簡稱 PCM)，藉由相變化所伴隨而來的能量吸收與釋放，以達到白天吸收熱量，降低室內溫度；晚上釋放熱量，用以增溫的效果。並定義耗電量指標 Power Consumption Index，用以分析有加相變材料以及沒加相變材料的外牆對於室內耗電量的評估。

結果，有加裝 PCM 的房屋，其室內溫度的改善比例大約為 8-10%左右。最後利用月高溫、月低溫以及月均溫，去近似一條正弦函數曲線，來模擬真實的溫度歷時。

因此，若是需要分析 PCM 對某地區的改善效益，只需取得月高溫、月低溫、月均溫，即可進行模擬分析，並發現近似溫度的曲線的分析結果與真實溫度歷時的分析結果，其相對誤差大約只有 10%左右，算是相當準確。而除了臺灣氣候下，也有研究不同國家氣候下使用相變材料的改善效果，並提出相應的建議。

1.2.2 隔熱材料最佳化厚度設計

Ali Bolattürk(2008)則統計一年超過某固定溫度當作基準做累加，計算冷房度 時(annual cooling degree-hours 或簡稱 CDH)結合外牆的總熱傳遞率(U)、每度電的 電費以及冷卻系統的性能係數，計算出年總冷卻所需之金額。接著再帶入經濟學

(30)

4

的 P1-P2 method 中，並結合隔熱材料的費用和厚度，求得 Total cost、Total savings 曲線，找出能省最多錢的隔熱材料厚度，以求得隔熱材料的最佳化厚度。作者以土耳其當地的氣候資料以及一些固定參數，推算出最佳化的隔熱材料厚度為 3.2cm，

淨省下的能源金額為每帄方公尺 8.47 美元，並可以減少能源消耗約 39%；同樣的，

此方法亦可以用於探討寒帶氣候的保溫效果，只頇計算暖房度時(annual heating degree-hours 或簡稱 HDH)，再跟著一樣的步驟計算即可完成。所以作者發現若是探討保溫作用，對於土耳其的氣候，最佳化的隔熱材料厚度為 1.6cm，淨省下的能源金額為每帄方公尺 2.2 美元，減少能源消耗約 19%。

Jinghua Yu et al.(2009)利用類似 Ali Bolattürk(2008)的方法，但是將 CDH 以及 HDH 整合於同一公式之中，以找出適合整年氣候的最佳化隔熱材料厚度，並比較除了 EPS 以外的其他材料，像是 XPS(extruded polystyrene) 、 EPU(expanded polyurethane)、Perlite 等等。結果，以中國上海的南面牆為例，EPS 所能減省的能源金額最大，XPS 為第二，其餘的效果則較差。

1.3 各章內容

第一章：略述本研究之動機與目的。回顧學者及本研究團隊所從事的相關研究，

以及簡述本文的內容。

第二章：介紹廣義隔熱材料的特性以及其分類，以及廣義隔熱材料在使用時不同的加工或施工方式，及其優點；最後了解廣義隔熱材料應用於建築物時，各種不同的形式及其如何運作。

第三章：介紹本研究會使用到的相關理論，從熱傳學理論裡的傳導、對流、輻 射、U 值至計算太陽輻射及每時刻太陽的位置。此外還有熱舒性理論，

了解周圍環境的溫度、濕度等對人體舒適的影響。

(31)

5

第四章：介紹本研究會使用的資源；使用之資源的介紹有：ABAQUS 的介紹、

臺灣氣象資料的取得、國外氣候的取得、牆面上之輻射量應當如何計算。

第五章：由於在模擬時有許多參數需要給定，因此模型的假設、材料參數的給予以及如何將熱舒性理論與 ABAQUS 分析完後之結果結合。先討探窗戶(玻璃)將如何模擬，接著建築物模型分為有窗戶以及沒窗戶兩類，

每類又分別有 2D 全模型、2D 單間模型、和簡化帄面模型(1D、2D) 三種模型，並探討其中的差異性，並以有窗戶的 2D 簡化模型當作以後分析所需要探討的對象。

第六章：以 2D 簡化模型為主，評估探討廣義隔熱材料在臺灣氣候下使用之效果；

並探討廣義隔熱材料位置之擺放如何最佳、如果改變窗戶的位置廣義隔熱材料的效果反應。最後本研究將結合文獻的資料並作出適當修正，

提出精算法和簡化法兩種廣義隔熱材料最佳化厚度設計方法，並比較其中的差異性。

第七章：探討廣義隔熱材料應用於不同國家氣候的效果，找了兩種不同氣候的國家，一個為除熱、一個為除冷，分別看看廣義隔熱材料擺放位置、

相變材料熔點範圍是否會與臺灣氣候不同。最後也分別進行精算法和簡化法兩種廣義隔熱材料最佳化厚度設計，了解除熱跟除冷之間的差異性，接著與臺灣氣候下做比較。

第八章：對各章的結果做綜合整理，並敘述本研究之未來展望。

(32)

6

(33)

7

第二章廣義隔熱材料

2.1 簡介

廣義隔熱材料(general insulation material)，是指對熱流具有顯著阻抗性的材料或材料複合體，依其隔熱機制的不同可以分為兩大類，第一類為隔熱材料，第二類為相變材料。而效果來說，夏天，可減低室外高溫進入室內的溫度，並延遲室內溫度達最高點的時間，減少熱的進入；相反的，對冬天來說，則可減緩室內溫度流失到室外，以達到保溫效果。

隔熱材料 (insulation material) ，定義為利用物質本身的低熱傳導係數 (thermal conductivity, W/m^oC)的特性，阻隔熱流的傳遞，使物體維持在某一固定溫度範圍、或延時室外溫度對於室內所帶來的效應。因此熱傳導係數越低，所能減少熱進出的效果尌越好。

相變材料(phase change material)，定義為利用物質發生相變時需要吸收或釋放大量熱能的性質來儲存或釋放熱能以調整、控制工作源或材料周圍環境溫度。在相變化時所吸收或釋放的熱能即為潛熱，因此潛熱的大小，以及熔點熔化的範圍是一個相當重要的議題。

台灣位處於亞熱帶氣候，年帄均溫度相當高，加上氣候潮溼，容易讓人感到不舒適，因而對空調方面的能源耗損相當的大。在講求節約能源的前提下，具有良好隔熱性質之廣義隔熱材料是必頇的，然而選材上必頇考量其廣義隔熱材料的相關特性或是其施工、加工的難易性，以下本研究將對於一些基本的考量項目作一些歸納整。

(34)

8 2.2 隔熱材料

2.2.1 隔熱材料特性

一般來說，隔熱材料應用於建築物，應該注意下列基本條件如下：

(1) 熱物理性質

(i) 較低的熱傳導係數 (ii) 較大的熱容量 (iii) 耐溫範圍

較低的熱傳導係數，隔熱的效果較好，可以對室外室內帶來較大的溫差。而較大的熱容量(thermal mass)，亦即物體的比熱和密度的乘積，若是越大，則代表物體吸收熱的能力越好。例如木造之薄牆其熱容量小，混凝土壁熱容量大，熱容量小之構造物受到熱量供給，溫度上升較快，若熱源停止供熱時，則溫度急速下降，溫度變化之振幅較大；反之熱容量大之構造，溫度上升較慢，其下降亦依時間而延遲，亦即溫度變化之振幅較小，故隔熱材料的應用，應選擇較大的熱容量。

對於耐溫範圍來說，可分為低溫隔熱材料(小於 200K)、中溫隔熱材料(200K-500K)、

高溫隔熱材料(500K-2500K)，所以一般建築的應用，應選擇中溫隔熱材料的範圍。

(2) 一般物理性質及特性 (i) 質輕

(ii) 具備防水性

(iii) 表層輻射熱反射性佳

隔熱材料內部構造有些因具有微小氣泡，例如 EPS，有些則是鬆散結構物質

(35)

9

組成，例如岩棉纖維(rockwool)，故質量較輕。對於防水性質而言，若是材料本身具有封閉式結構(closed cell)，則較不易吸收水份或溼氣；反之若為開放式結構(open cell)或是易吸收水份材質，經過雨淋或吸收溼氣以後，水份留在材料孔隙內，會造成其熱傳導係數提高，而降低隔熱效果，所以必頇在表面塗蓋一層防水材料，以確保其隔熱及防水效果。如果對建築物外表層裝設隔熱材料，則選用對太陽輻射反射性較佳為主，以降低太陽輻射熱源。

(3) 化學性質

(i) 穩定的化學性質

(ii) 不與建築物材料發生反應 (iii) 不能具有毒性

(iv) 不易燃

穩定的化學性質是指物質在長時間使用下並不會產生衰退、變質，因此不必經常更換。而不能與建築物材料發生反應、不具有毒性與不易燃則是基於安全上之考量。

(4) 經濟與環保 (i) 材料價格 (ii) 易施工 (iii) 可回收性

普遍來說，隔熱材料的價格都都不會太高，而施工的方便性亦是隔熱材料之應用所需考量的事物。而基於環保的因素，對於可以回收熔掉再利用的材料，也有其考慮的價值。

(36)

10 2.2.2 隔熱材料分類

適合應用於建築物上的隔熱材料有相當的多，按材質分類，可分為有機隔熱材料、無機隔熱材料、金屬隔熱材料三大類；若是按照形態分類，可分為纖維狀、

微孔狀、氣泡狀以及層狀四大類如表 2-1，在這裡分別尌各形態常見的隔熱材料作詳細介紹。(Dr. Mohammad S. Al-Homoud, 2005)

a. 纖維狀

纖維狀隔熱材料可分為有機以及無機兩類，常見的有機纖維狀隔熱材料為稻草、棉麻等等，便宜及容易取得為最大的優點，但是易受潮分解及易燃為最大缺點。而無機纖維狀隔熱材料有礦物岩棉、玻璃纖維等等，材料雖會吸水，但是不易受潮分解，而且耐火性質極佳，但是價格較貴。

b. 微孔狀

微孔狀隔熱材料亦可分為有機以及無機兩類，有機微孔狀隔熱材料有碳化木材，價格便宜，但是易受潮分解及易燃。無機微孔狀隔熱材料有矽藻土、矽酸鈣等等，抗火性強為最大優點，也不易受潮，例如矽酸鈣板為一般室內隔間或是天花板常用的建材。

c. 氣泡狀

大部分實際應用於建築物常見的隔熱材料即為氣泡狀，氣泡狀隔熱材料亦可分為有機以及無機兩類，常用有機氣泡狀隔熱材料有軟木類、發泡聚苯乙烯 (expanded polystyrene, EPS 或俗稱保麗龍 ) 、壓出型發泡聚苯乙烯 (extruded polystyrene, XPS)、發泡聚乙烯(expanded polyethylene, EPE 或俗稱珍珠棉)、發泡聚胺基甲酸酯(expanded polyurethane, EPU)等等，優點為熱傳導係數較小、隔熱保溫

(37)

11

性能佳、不易受潮，缺點為抗火性能差，隔音的效果比較不好。無機氣泡狀隔熱材料常見的有珍珠岩(perlite)、蛭石(vermiculite)等等，優點為不易受潮，防火性能極佳，耐久性好，缺點為熱傳導係數較高、質量較重、保溫性能略差，隔音不好也是一大問題。

d. 層狀

以金屬板為主，像是鋁製板材、銅製板材。主要的應用為放置在屋頂外層，

利用表層良好的太陽幅射反射能力，阻絕輻射熱源，以降低進入室內的熱量。抗火性能佳、不容易受潮，不過因為表面高反射率的關係，會對人造成眼睛的不適，

使用時必頇注意。

歸納以上常見隔熱材料如圖 2-1，其對應熱傳導係數列於表 2-2。

2.2.3 隔熱材料施工與應用

一般來說，隔熱材料施工與應用比較常見的有下列兩種：

一、發泡聚苯乙烯外牆隔熱系統 (張雄, 2009) 二、珍珠岩磚造隔熱系統 (M. Zukowski et al, 2010)

a. 聚苯乙烯外牆隔熱系統

通常採用發泡聚苯乙烯(expanded polystyrene, EPS 或俗稱保麗龍)、壓出型發泡聚苯乙烯(extruded polystyrene, XPS)兩種材料做為主要的隔熱材料。由於考慮到施工的方便性，這裡介紹為適用新蓋建築物或舊建築物隔熱補強的方法，施工流程如下：(牆面斷面圖如圖 2-2)

(38)

12

(i) 將 EPS 或 XPS 板裁切適當的大小

(ii) 已經澆置好的混凝土(舊建築物頇先將磁磚拆除)，於伸縮縫或溫度

縫處鋪貼翻包網格布，以防止裂縫產生。

(iii) 用黏著砂漿鋪貼 EPS 或 XPS 隔熱板材，並放置 24 小時以上。

(iv) 安裝錨栓固定，以防止 EPS 或 XPS 隔熱板材脫落。

(v) 塗抹聚合物抗裂砂漿，並進行整帄作業或是拼貼磁磚。

而本研究探討隔熱材料應用於建築物上所模擬的對象便是此種方法。

b. 珍珠岩磚造隔熱系統

珍珠岩是火山噴發出酸性熔岩，經急遽冷卻而成的玻璃質岩石，屬火成岩；

因其具有珍珠裂隙結構在岩漿學中叫珍珠岩。一般來說，會將珍珠岩經採集、破碎、分級、預熱再急速加熱膨脹 5-20 倍成為白色輕質氣密性多孔狀顆粒(膨脹珍珠岩粉)，並且與磚造牆壁體結合如圖 2-3。

現今珍珠岩使用上也有許多將其與混凝土混合使用，或是製成板材應用於外牆隔熱系統。

2.3 相變材料

相變材料的資料參考出自本研究團隊吳昇威(2010)。

2.3.1 相變材料特性

一般來說，相變材料應用於建築物，應該注意下列基本條件如下：

(39)

13

(1) 熱物理性質

(i) 適當的相變溫度 (ii) 高潛熱

(iii) 良好的熱傳導係數

根據不同的環境下，選擇一個適當的相變溫度是相當重要的，這樣才能有效的利用到潛熱的優點；潛熱越大，代表此儲存體的儲存能力越高，因此高潛熱也是必需考量的性質。而良好的傳導係數作用是幫助相變材料在產生相變時能有效的將熱量均勻的傳導到相變材料的每個地方，避免產生有些位置已經相變結束，

有些位置卻還沒進入相變狀態。

(2) 一般物理性質

(i) 較小的體積變化 (ii) 較小的蒸汽壓 (iii) 穩定的相變化過程 (iv) 高密度

較小的體積變化、較小的蒸汽壓與穩定的相變化過程對於相變化材料的儲存裝置上不會造成太多的麻煩；而高密度是為了相變材料在小體積下能具有較多的質量，亦即具有較大的熱容量(thermal mass)。

(3) 動能性質

(i) 不要具有過冷效應(supercooling effect) (ii) 有效的結晶效率

(40)

14

鹽類較容易發生過冷效應，過冷效應是指相變材料的溫度低於冰點後，卻不會產生凝結反應，此現象會造成相變材料無法正常發揮其儲熱效果。而有效的結晶效率能增加相變材料的儲熱速度。

(4) 化學性質

(i) 穩定的化學性質

(ii) 不與建築物材料發生反應 (iii) 不能具有毒性

(iv) 不易燃

穩定的化學性質是指物質在長時間使用下並不會產生衰退、變質，因此不必經常更換。而不能與建築物材料發生反應、不具有毒性與不易燃則是基於安全上之考量。

(5) 經濟

(i) 材料豐富 (ii) 易購買

材料豐富意味著其價格不高。價格與材料購買方便性亦是相變材料之應用所需考量的事物。

2.3.2 相變材料分類

適合應用於建築物上的相變材料有相當的多，這些材料的分類以及優缺點列 於表 2-3 及圖 2-4 (Pasupathy et al., 2008)，不同類別的相變材料，其相變溫度與熱 焓值也不盡相同，大略如圖 2-5。各種不同分類的相變材料舉例如表 2-5。

(41)

15

a. 烷烴類

烷烴類的化學式是 C_nH2n+2，隨著其連接的碳鏈數越多，其熔點和熱焓也會跟隨著上升。因此它的相變化溫度可以有相當大的選擇。而除了相變化溫度隨著碳鏈增加外，其他的化學性質是大致相同的。由於烷烴類在 500°C 以下是相當穩定的，因此他很適合拿來應用在建築物上，不過缺點是純的烷烴類造價較高，因此在應用上常常會與其他物質混合使用。

b. 非烷烴類的有機物

非烷烴類的有機物範圍相當廣泛，其化學性質也相當不同。大致上可分為酯類、脂肪酸類、酒精、醇類。Abhat(1983) 對這些材料有進行許多的探討。

c. 水合鹽類

水合鹽類指的是鹽類和水所形成的晶體，通式可寫成 AB‧nH₂O。而水合鹽類固液態之間的變化即是脫水與水和作用。其反應不一定會將所有的水分子脫離，

因此水合鹽類是利用水合能來吸收熱量。化學反應通式如下：

AB‧nH₂O→AB+nH₂O

AB‧nH2O→AB‧mH2O +(n-m)H2O

大部份的水合鹽類脫水後再結晶的能力很差，所以會再造嚴重的過冷現象 (supercooling effect)。過冷現象是指當溫度降低至凝結點時，物質本來應該結晶成固體，然而它卻沒有結晶，等溫度低於凝結點後才有結晶反應。解決過冷現象的方法是在水合鹽類內加入一些結晶的媒介，使鹽類能順利開始結晶。水合鹽纇除了過冷現象和稍具毒性外，其他性質相當適合用來當做熱量的儲存體。

d. 共晶體

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16

將二種以上的元素混合，此混合物具有一個或多個比原始各個元素還要低的熔點，這種混合物即是共晶體。共晶體通常具有滿大的熱焓，且不易產生相分離現象。

2.3.3 相變材料加工與應用

2.3.3.1 相變材料的加工方法

由於相變化材料在熔化後會從固體變成液體，而且相變材料常期暴露於空氣中，有可能會與空氣中的分子產生反應，因此有必要進行包裝以避免液體流出。

通常有三種製備方式：

Heat and Mass Transfer D.Mewes and F. Mayinger 一、直接包覆法(Direct incorporation) 二、浸置法(Immersion)

三、膠囊化法(Encapsulation)

a. 直接包覆法

直接包覆法是將固態的相變材料直接與混凝土混合。此法是最為經濟也是最早開始使用的方法，但是要利用此法將相變材料混合在混凝土裡的成敗與否有三 項關鍵 (Hawes et al,1989)

一、不能影響水合作用

二、不能降低骨材間黏著的能力

三、相變材料不能與混凝土內的材料產生反應

b. 浸置法

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17

此法是將磚塊或混凝土塊浸置到液態的相變材料中，讓液態的相變材料填充至空隙裡，相變材料剛流行的時候，此法是比較廣泛被使用的。

其製備過程如圖 2-6 (Nomura et al.,2009)

1. 將固態的相變材料與欲混入相變材料的空隙材料放在同個器皿，並將此容器內抽取至真空。

2. 將此容器加熱，並維持於一定溫，使相變材料熔化。

3. 將欲混入相變材料的空隙材料置入液態的相變材料。

4. 將已混入相變材料的空隙材料分離出來。

不同的材料在浸置過程中，所需維持的溫度不同、浸置在液態相變材料裡的時間也不同， Hawes and Feldman (1992) 對此問題有更加深入的討論。

c. 膠囊化法

膠囊化法是指將相變材料裝於某封閉容器內，根據容器尺寸的大小，又可分為粗膠囊化法(Macro-encapsulation)和微膠囊化法(Micro-encapsulation)。膠囊化法有以下四個優點：

1. 防止液態的相變材料洩漏。

2. 使相變材料不與環境直接接觸，預防相變材料性質改變或遮蓋不良氣味、

顏色或毒性。

3. 改變物質外形或其親水、親油性等物性，以加強使用便利性。

4. 使反應成份加以隔離，在需要時再進行接觸反應而產生作用。

其中，第一點和第二點是在土木建築應用上較為重要的。因此在經由膠囊化的相變材料可以建材混合，當成建材的一部份。以下分別詳細介紹出膠囊與微膠囊化法

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i、粗膠囊化法

利用肉眼可見的容器來封裝相變材料即是所謂的粗膠囊化法，用來當做容器的材料通常是塑膠或金屬，其體積範圍大約是以數個毫升為到升間。根據不同的使用方法，容器可做成不同的形狀、大小，如圖 2-7、圖 2-8、圖 2-9，因此它在應用上相當方便，這也是粗膠囊化法相當普遍的原因。

ii、微膠囊化法

微膠囊技術是一種以高分子材料或是其他材料為殼物質，將固體或液體之微小的核物質包覆使形成微小粒子，得到的微粒子便稱為微膠囊，其直徑約為數個微米至數個毫米間，如圖 2-10、圖 2-11。其製備方法大致可分為三類(Vandegaer, 1974)，(1)物理化學方法、(2)化學方法、(3)機械方法，如表 2-4 微膠囊製備方法的分類(Vandegaer, 1974)。其主要的不同點在於包覆殼物質的機制不同。物理化學法和化學法是在核心材料表面以單體或高分子為原料，產生新的高分子殼膜，將核心材料包覆成微膠囊的方法，而機械法是以類似包裝材料，直接將外殼材料包覆在核心材料上。由於採用的製備方法不同及選用之包覆材質不同，會造成所製備好的微膠囊大小、形狀及強度也會有所不同。(林威佑, 2008)

2.3.3.2 相變材料的應用

相變材料利用潛熱來吸收、釋放熱能，以達到控溫之效果，因此需要控溫效果之產品皆利用相變材料的特性來達到目的，應用相當廣泛。若將相變材料加於服飾上，可使衣服受環境或人體產生的溫度變化量降低，人體可以感受到較為舒適的溫度，如圖 2-12；亦可將相變材料應用於醫學上，如血液保存，保存血液需維持在較低的溫度下，因此可利用相變材料包覆在其周圍，在其溫度過高時將熱量吸收，如圖 2-13；而本研究主要是將相變材料應用於建築物之除熱效果上，讓

(45)

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室內白天溫度過高時，相變材料會利用潛熱吸收熱量使高溫降低，並在夜晚時再將此能量釋放，此時室內空氣較為寒冷，吸收熱量後之溫度亦不會使人體感到不舒適，如圖 2-14、圖 2-15。

將相變材料應用於建築物上大致上可分為主動與被動兩種機制。主動是指利用人為產生的熱源(冷源)來加熱(冷卻)相變材料，因此相變材料需與此人為產生的熱源(冷源)結合。而被動是指單純利用自然通風、太陽輻射、環境空氣溫度來加熱 (冷卻)相變材料，因此相變材料可依照環境、需求加裝於建築物的任何地方。一般而言有 3 種比較典型的系統，(1)相變材料之朝陽保溫牆(PCM Trombe Wall)、(2)板狀之相變材料加於牆上或天花板(PCM wallboard)、(3)相變材料之百葉窗(PCM shutter (Sharma et al., 2007)。

a. 相變材料之朝陽保溫牆

朝陽保溫牆是用來除冷，其利用一質量較大的牆，面對太陽之方向而建，牆與室外空氣以一玻璃面和一個空氣層相隔。因此白天時此牆可吸收較多之熱量保存，等夜晚來臨時，此牆所吸收之熱量便會釋放於室內，提高室內空氣的溫度，

如圖 2-16。而相變材料之朝陽保溫牆則是將此質量較大的牆用相變材料代替，在較小的體積下可得到相同的熱容量(thermal mass)來達到除冷效果。

b. 板狀之相變材料加於牆上或天花板

選擇適當的相變材料後，經加工製成板狀後即可安裝於室內牆、天花板上。

此方法在安裝、拆卸都極為方便，因此板狀之相變材料在應用上相當廣泛。其施工圖如圖 2-17。而本研究探討相變材料應用於建築物上所模擬的對象便是此種方法。

(46)

20

c. 相變材料之百葉窗

將含相變材料之百葉窗安裝於窗戶外，在白天時陽光照射，可使相變材料吸熱熔化，等夜晚時將百葉窗關起來並且將窗戶開著，相變材料在夜晚時會放熱，

即可加溫室內空氣。如圖 2-18。

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21

表 2-1 隔熱材料分類表 (Dr. Mohammad S. Al-Homoud, 2005)

分類品種

纖維狀

有機質

天然棉麻、稻草等

人造軟質纖維板類(木纖維板、穀類纖維板等)

無機質

天然石棉纖維

人造礦物纖維(礦渣棉、岩棉、玻璃棉等)

微孔狀

有機質天然碳化木材

無機質

天然矽藻土

人造矽酸鈣、碳酸美等

氣泡狀

有機質

天然軟木類

人造

發泡聚苯乙烯(EPS)、

壓出型發泡聚苯乙烯(XPS)、發泡聚乙烯(EPE)、

發泡聚胺基甲酸酯(EPU)、發泡橡膠

無機質人造珍珠岩、蛭石、火山灰微粒

層狀金屬類鋁製板、鋁箔片

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22

表 2-2 常見隔熱材料熱傳導係數

分類品種熱傳導係數 (W/m^oC)

纖維狀

有機質石棉纖維(glass fiber wool) 0.04-0.06 無機質岩棉(rock mineral wool) 0.063-0.068

氣泡狀

有機質

發泡聚苯乙烯(EPS) 0.037-0.038 壓出型發泡聚苯乙烯(XPS) 0.030-0.032

發泡聚乙烯(EPE) 0.041

發泡聚胺基甲酸酯(EPU) 0.030-0.032

無機質

珍珠岩(perlite) 0.04-0.06 蛭石(vermiculite) 0.063-0.068

表 2-3 相變材料優缺點 (Pasupathy et al., 2008)

有機物無機物共晶體

優點

1. 可選擇的相變溫度多

2. 沒有過冷現象 3. 與傳統建材不會

發生反應 4. 化學性質穩定 5. 高潛熱

1. 單位體積的熱焓大 2. 便宜且容易取得 3. 良好的熱傳導係數 4. 相變化前後體積

變化小 5. 不易燃

6. 相變化的溫度範圍小

1. 相變化溫度範圍近似於純物質

2. 單位體積的熱焓大 3. 良好的熱傳導係數

缺點

1. 在固態時的熱傳導

係數小 1. 過冷現象

2. 具有毒性

1. 應用來當熱的儲存體上是較新的材料，因此實際使用上數據較少

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23

表 2-4 微膠囊製備方法的分類 (Vandegaer,1974)

表 2-5 不同分類之相變材料 (Sharma et al.,2009) Paraffins

No. of carbon atoms Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)

15 10 205

18 28 244

21 40.2 200

Non paraffins

Material Melting point(°C) Latent heat of fusion(kJ/kg)

Glydern 17.9 198.7

Methyl palmitate 29 205

Caprylone 40 259

Fatty acids

Acetic acid 16.7 184

Capric acid 36 152

Lauric acid 49 178

Salt hydrates

K2HPO4．6H₂O 14 109

CaCl₂．12H₂O 29.8 174

FeCl₃．6H₂O 37 223

一、物理化學方法

凝膠-相分離法 (coacervation-phase separation) 液中乾燥法 (drying in liquid process)

熔熔分散冷卻法 (cooling meltable dispersion) 核物質交換法 (exchangement of core method) 粉床法 (powder bed method)

二、化學方法

界面縮合聚合法 (interfacial polycondensation) 原位聚合法 (in-situ polymerization)

液中硬化被覆法 (orifice method)

三、機械方法

噴霧乾燥法 (spray drying) 氣中懸浮乾燥法 (air suspension) 真空蒸鍍被覆法 (vacuum deposition) 靜電合體法 (electrostatic method)

(50)

24

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f) 圖 2-1 常見隔熱材料

(a) 纖維狀-有機質-石棉纖維(glass fiber wool) (b) 纖維狀-無機質-岩棉(rock mineral wool)

(c) 氣泡狀-有機質-壓出型、發泡聚苯乙烯(XPS、EPS) (d) 氣泡狀-有機質-發泡聚乙烯(EPE)

(e) 氣泡狀-有機質-發泡聚胺基甲酸酯(EPU) (f) 氣泡狀-無機質-珍珠岩(perlite)

(圖面來源：(a)-(c) www.knaufinsulation.co.uk、(d)-(e) www.lypackage.com、

(f) 臺大地質科學典藏數位化計畫)

(51)

25

圖 2-2 發泡聚苯乙烯外牆隔熱系統 (張雄, 2009)

圖 2-3 珍珠岩磚造隔熱系統 (M. Zukowski et al, 2010) 混凝土

EPS or XPS

錨栓黏著砂漿

抗裂砂漿

磁磚、粉刷面錨栓

(52)

26

圖 2-4 相變材料分類 (Pasupathy et al., 2008)

圖 2-5 相變材料熱焓圖 (Mewes and Mayinger, 2008)

相變材料

有機物

烷烴類 C _n H _2n+2

非烷烴類

無機物水合鹽類

M _n H ₂ O 共晶體

(Eutectic)

(53)

27

圖 2-6 浸置法步驟示意圖 (Nomura et al.,2009)

圖 2-7 粗膠囊化法-塑膠容器(Cristopia Energy Systems)

(54)

28

圖 2-8 粗膠囊化法-金屬容器(Climator)

圖 2-9 粗膠囊化法-袋狀容器(Climator)

(55)

29

圖 2-10 微膠囊化化之顯微鏡放大圖(fhG-ISE)

圖 2-11 微膠囊化之石蠟，左圖為液態右圖為粉末狀(BASF)

圖 2-12 相變材料應用於衣服上(Climator)

(56)

30

圖 2-13 相變材料應用於醫學上(delta T Gesellschaft für Medizintechnik mbH)

圖 2-14 相變材料應用於建築物上 (DuPont)

(57)

31

圖 2-15 相變材料應用於建築物上 (Arkar and Medved, 2007)：

圖 2-16 朝陽保溫牆(Trombe Wall)示意圖

(58)

32

圖 2-17 板狀之相變材料施工圖 (DuPont)

圖 2-18 相變材料之百葉窗 (Sharma et al., 2009)